JP2006307734A

JP2006307734A - 内燃機関の排気装置

Info

Publication number: JP2006307734A
Application number: JP2005130920A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shimura; 貴史志村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】内燃機関の排気装置において、排気の浄化を効率よく行うことを可能とする。
【解決手段】排気タービン駆動式の過給機を有する内燃機関の排気装置は、排気流路と、排気流路の過給機より下流側に設置された窒素酸化物を浄化する触媒と、排気流路内に還元剤を供給する還元剤供給弁と、を備える。還元剤供給弁は、過給機と触媒との間の排気流路内の所定の位置から、排気流路の上流側方向に向けて還元剤を噴射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気に関し、特に、内燃機関の排気を浄化する技術に関する。

内燃機関の排気を浄化するための一方策として、一般に、排気装置の排気流路中に触媒が設けられる。触媒において、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）等の浄化を効率よく行うために、触媒の上流側の排気流路中に還元剤としての燃料（例えば軽油）を供給する技術が知られている（例えば特許文献１）。

特開平８−２０００４７号公報特開平７−１０２９４９号公報

上記の従来技術では、還元剤としての燃料が排気流路中に供給されてから触媒に達する間の燃料の霧化や排気との混合が不十分となり、触媒における窒素酸化物等の浄化を効率良く行うことができない場合があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の排気装置において、排気の浄化を効率よく行うことを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の内燃機関の排気装置は、
排気タービン駆動式の過給機を有する内燃機関の排気装置であって、
排気流路と、
前記排気流路の前記過給機より下流側に設置された窒素酸化物を浄化する触媒と、
前記排気流路内に還元剤を供給する還元剤供給弁と、を備え、
前記還元剤供給弁は、前記過給機と前記触媒との間の前記排気流路内の所定の位置から、前記排気流路の上流側方向に向けて還元剤を噴射することを特徴とする。

この内燃機関の排気装置では、還元剤が、過給機と触媒との間の排気流路内の所定の位置から排気流路の上流側方向に向けて噴射されるため、噴射された還元剤は、過給機の作用により排気流路内に発生した旋回乱流により、霧化および排気との混合が促進される。そのため、この内燃機関の排気装置では、排気の浄化を効率よく行うことができる。

上記内燃機関の排気装置において、前記還元剤供給弁は、前記還元剤供給弁の噴射軸のベクトルと前記排気流路内の排気流方向のベクトルとのなす角が９０度以上となるように構成されているとしてもよい。

この構成によれば、還元剤供給弁によって、還元剤を排気流路の上流側方向に向けて噴射することができる。

また、上記内燃機関の排気装置において、前記還元剤供給弁は、前記排気流路内に排気流が存在しないときに噴射された還元剤が前記過給機の排気タービンに直接到達するように、還元剤を噴射するよう構成されているとしてもよい。

この構成によれば、還元剤供給弁によって、還元剤が、過給機の作用により排気流路内に発生した旋回乱流が比較的強い部分に噴射されるため、排気流路内に噴射された還元剤の霧化および排気との混合が強く促進される。従って、排気の浄化を効率よく行うことができる。

また、上記内燃機関の排気装置において、前記排気流路内の前記所定の位置と前記過給機の排気タービンとの間の距離は、前記排気流路の内径の５倍以下であるとしてもよい。

この構成によれば、還元剤供給弁によって、還元剤が、過給機の作用により排気流路内に発生した旋回乱流が残存している部分に燃料が噴射され、燃料の霧化および排気との混合が促進される。従って、排気の浄化を効率よく行うことができる。

また、上記内燃機関の排気装置において、さらに、
前記過給機の排気タービンより上流側に設置された可動部分を有する機構を備えるとしてもよい。

この構成によれば、過給機の排気タービンより上流側に可動部分を有する機構が設置されている場合でも、当該可動部分の不具合の発生を抑制しつつ、燃料の霧化および排気との混合を促進することができ、排気の浄化を効率よく行うことができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、内燃機関の排気装置および排気方法、内燃機関の排気浄化装置および排気浄化方法、内燃機関、内燃機関を備える車両等の移動体等の態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
図１は、本発明の実施例としてのエンジン１０の構成を概略的に示した説明図である。エンジン１０は、排気タービン駆動式の過給機（ターボチャージャ）２００を有する自動車用ディーゼルエンジンである。エンジン１０は、内部に中空円筒形状のシリンダ１１２を有するシリンダブロック１１０と、シリンダブロック１１０の上部に設けられたシリンダヘッド１２０と、シリンダ１１２内を上下に摺動するピストン１１４と、を備えており、これらの要素によって燃焼室１３０が形成されている。

シリンダヘッド１２０には、吸入空気が流入する吸気ポート１２２の開口部を開閉する吸気弁１４０と、排気ガスが流出する排気ポート１２４の開口部を開閉する排気弁１５０と、燃焼室内に燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁１６０と、が設けられている。吸気弁１４０および排気弁１５０は、それぞれ電動アクチュエータ１４２および１５２によって駆動される。

排気ポート１２４には排気ガスが通過する排気流路１８０が接続されている。排気流路１８０には、過給機２００と、過給機２００の下流側に配置された排気に含まれる大気汚染物質を浄化するための触媒１８２と、が設けられている。本実施例では、触媒１８２として三元触媒が用いられる。また、排気流路１８０の過給機２００と触媒１８２との間には、燃料噴射弁１８４が設けられている。燃料噴射弁１８４は、図示しない燃料タンクと接続されており、排気流路１８０内に燃料（軽油）を供給する。過給機２００および燃料噴射弁１８４の詳細については、後述する。

吸気ポート１２２には吸入空気を導く吸気流路１７０が接続されている。吸気流路１７０には、エアクリーナ１７２と、上述の過給機２００と、過給機２００の下流側に配置された吸入空気を冷却するためのインタークーラ１７４と、が設けられている。吸気流路１７０には、また、サージタンク１７８とスロットル弁１７６とが設けられている。サージタンク１７８は、燃焼室１３０が空気を吸い込んだときに生じる圧力波を緩和させる機能を有している。スロットル弁１７６は、電動アクチュエータ１７７によって適切な開度に設定され、吸入空気量を調整する機能を有している。

ピストン１１４は、コネクティングロッド１１６を介してクランクシャフト１１８に接続されている。クランクシャフト１１８には、クランク角度を検出するクランク角センサ１９２が取り付けられている。

このエンジン１０の動作は、エンジン制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と呼ぶ）１９０によって制御されている。ＥＣＵ１９０は、エンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度θａｃを検出し、これらに基づいてスロットル弁１７６の開度の制御や、燃料噴射弁１６０および１８４の燃料噴射制御、吸気弁１４０および排気弁１５０の駆動制御等を実行する。エンジン回転速度Ｎｅはクランク角センサ１９２によって検出され、アクセル開度θａｃはアクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ１９４によって検出される。

図２は、本実施例のエンジン１０の過給機２００周辺の詳細構造を示す説明図である。また、図３は、図２の３−３断面を示す説明図である。図２に示すように、過給機２００は、ハウジング２１０の内部に、タービン２２０とコンプレッサ２３０とを有している。タービン２２０とコンプレッサ２３０とは、シャフト２４０によって接続されている。

排気ポート１２４（図１）より排出された排気は、排気流路１８０の過給機２００および触媒１８２（図１）を通過した後、大気に放出される。このとき排気の流れによって、過給機２００内部のタービン２２０が回転し、タービン２２０と接続されたコンプレッサ２３０も回転する。エアクリーナ１７２（図１）から吸い込まれた空気は、過給機２００内部のコンプレッサ２３０の回転作用によって加圧され、インタークーラ１７４（図１）で冷却された後、吸気ポート１２２へと圧送される。図２には、排気および吸気の流れを破線の矢印を用いて示している。

過給機２００の内部には、また、可変ノズル機構２５０が設けられている。可変ノズル機構２５０は、羽根部２５２と、シャフト部２５４と、駆動部２５６と、を有している。羽根部２５２は、駆動部２５６に駆動さてシャフト部２５４を中心に回転する。羽根部２５２が回転することにより、図３に示すように、タービン２２０の上流側における排気の流路面積が変化する。図３（ａ）は、流路面積を増加させたときの状態を示しており、図３（ｂ）は、流路面積を減少させたときの状態を示している。可変ノズル機構２５０は、このように、タービン２２０の上流側における排気の流路面積を変化させることにより、タービン２２０の容量を変化させることができる。

ここで、本実施例のエンジン１０では、図２に示すように、排気流路１８０に燃料噴射弁１８４が設けられている。燃料噴射弁１８４は、触媒１８２（図１）における窒素酸化物の浄化の還元剤として、燃料を排気流路１８０内に供給する。

燃料噴射弁１８４による燃料の噴射は、排気流路１８０の上流側方向に向けて行われる。すなわち、燃料噴射弁１８４の噴射軸のベクトルと排気流路１８０内の排気流方向のベクトルとのなす角が９０度以上となるように、噴射が行われる。図２には、燃料噴射弁１８４が燃料を噴射している様子を示している。噴射された燃料は、図２に実線の矢印で示すように、排気流によって下流側方向へと向きを変え、触媒１８２（図１）に供給される。

また、本実施例のエンジン１０における燃料噴射弁１８４は、排気流路１８０内に排気流が存在しないときに燃料噴射弁１８４から噴射された燃料がタービン２２０に直接到達するように、その位置、噴射角、噴射圧力等が設定されている。

本実施例のエンジン１０では、上述したように、燃料噴射弁１８４から排気流路１８０の上流方向に向けて燃料が噴射される。そのため、噴射された燃料は、タービン２２０の回転によって排気流路１８０内に発生した旋回乱流により、霧化および排気との混合が促進される。特に、本実施例のエンジン１０では、上述したように、排気流路１８０内に排気流が存在しないときに燃料噴射弁１８４から噴射された燃料がタービン２２０に直接到達するように、燃料噴射弁１８４が構成されているため、タービン２２０の回転により発生した旋回乱流が比較的強い部分に燃料が噴射される。そのため、排気流路１８０内に噴射された燃料の霧化および排気との混合が強く促進される。従って、本実施例のエンジン１０では、排気流路１８０中に供給された還元剤としての燃料の霧化および排気との混合を促進することができ、排気の浄化を効率よく行うことができる。

なお、燃料の霧化および排気との混合の促進のためには、排気経路中の過給機２００よりも上流側の位置（例えば排気ポート１２４（図１）の位置）において燃料を噴射することも有効であると考えられる。しかし、本実施例のエンジン１０における過給機２００には、タービン２２０のすぐ上流側に可動部分を有する可変ノズル機構２５０が設けられており、過給機２００よりも上流側の位置で燃料を噴射すると、噴射された燃料によって可変ノズル機構２５０の可動部分が固着し不具合が発生する恐れがある。本実施例のエンジン１０では、このように、過給機２００のタービン２２０より上流側の排気経路に可動部分を有する機構が設けられている場合でも、当該可動部分の不具合の発生を抑制しつつ、燃料の霧化および排気との混合を促進することができ、排気の浄化を効率よく行うことができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例において、必ずしも、燃料噴射弁１８４が、排気流路１８０内に排気流が存在しないときに燃料噴射弁１８４から噴射された燃料がタービン２２０に直接到達するように、設定されている必要は無い。代わりに、上記実施例において、燃料噴射弁１８４が、燃料噴射弁１８４の噴射孔の位置と過給機２００のタービン２２０との間の距離が、排気流路１８０の内径の５倍以下となるように、設置されているとしてもよい。このような構成とすれば、タービン２２０の回転により発生した旋回乱流が残存している部分に燃料が噴射され、燃料の霧化および排気との混合が促進される。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例において、エンジン１０の構成は、あくまで一例であり、エンジン１０の構成を他の構成とすることも可能である。例えば、エンジン１０は、必ずしも可変ノズル機構２５０を備える必要は無い。また、エンジン１０は、ディーゼルエンジンである必要はなく、ガソリンエンジン等の他の燃焼方式のエンジンであるとしてもよい。また、エンジン１０を、自動車以外の他の移動体用として使用したり、定置式のエンジンとしたりすることも可能である。

本発明の実施例としてのエンジンの構成を概略的に示した説明図。本実施例のエンジンの過給機周辺の詳細構造を示す説明図。図２の３−３断面を示す説明図である。

符号の説明

１０...エンジン
１１０...シリンダブロック
１１２...シリンダ
１１４...ピストン
１１６...コネクティングロッド
１１８...クランクシャフト
１２０...シリンダヘッド
１２２...吸気ポート
１２４...排気ポート
１３０...燃焼室
１４０...吸気弁
１４２...電動アクチュエータ
１５０...排気弁
１５２...電動アクチュエータ
１６０...燃料噴射弁
１７０...吸気流路
１７２...エアクリーナ
１７４...インタークーラ
１７６...スロットル弁
１７７...電動アクチュエータ
１７８...サージタンク
１８０...排気流路
１８２...触媒
１８４...燃料噴射弁
１９０...ＥＣＵ
１９２...クランク角センサ
１９４...アクセル開度センサ
２００...過給機
２１０...ハウジング
２２０...タービン
２３０...コンプレッサ
２４０...シャフト
２５０...可変ノズル機構
２５２...羽根部
２５４...シャフト部
２５６...駆動部

Claims

排気タービン駆動式の過給機を有する内燃機関の排気装置であって、
排気流路と、
前記排気流路の前記過給機より下流側に設置された窒素酸化物を浄化する触媒と、
前記排気流路内に還元剤を供給する還元剤供給弁と、を備え、
前記還元剤供給弁は、前記過給機と前記触媒との間の前記排気流路内の所定の位置から、前記排気流路の上流側方向に向けて還元剤を噴射することを特徴とする、内燃機関の排気装置。
請求項１記載の内燃機関の排気装置であって、
前記還元剤供給弁は、前記還元剤供給弁の噴射軸のベクトルと前記排気流路内の排気流方向のベクトルとのなす角が９０度以上となるように構成されている、内燃機関の排気装置。
請求項１または請求項２のいずれかに記載の内燃機関の排気装置であって、
前記還元剤供給弁は、前記排気流路内に排気流が存在しないときに噴射された還元剤が前記過給機の排気タービンに直接到達するように、還元剤を噴射するよう構成されている、内燃機関の排気装置。
請求項１または請求項２のいずれかに記載の内燃機関の排気装置であって、
前記排気流路内の前記所定の位置と前記過給機の排気タービンとの間の距離は、前記排気流路の内径の５倍以下である、内燃機関の排気装置。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の内燃機関の排気装置であって、さらに、
前記過給機の排気タービンより上流側に設置された可動部分を有する機構を備える、内燃機関の排気装置。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の内燃機関の排気装置を備える内燃機関。